Приборы СВЧ и оптического диапазонов (стр. 5 )

Рис. 1. Эквивалентная схема генератора на ЛПД: Re и Xе – активная и реактивная
составляющие эквивалентного высокочастотного сопротивления ЛПД,
Rн и Xн – активная и реактивная составляющие сопротивления нагрузки,
Rп – сопротивление, отражающее потери в резонаторе и диоде

В [2] на основании анализа работы ЛПД для генераторов в режиме больших амплитуд получено выражение для отрицательного высокочастотного сопротивления диода Re,

(17)

где , θд – угол пролета электронов в слое дрейфа,
Сд – емкость слоя дрейфа, ω – частота генерируемого колебания, ωл – лавинная частота, В – нормированная амплитуда напряжения на слое умножения, Ф(В) – функция, значения которой приведены в табл. 4.

Таблица 4

В	0	1	2	3	4	5	6
Ф(В)	1,00	0,88	0,70	0,54	0,43	0,36	0,30

Используя (16) и (17), необходимо определить значение Ф(В) и графически, предварительно построив график функции Ф(В), найти величину В, соответствующую условию баланса амплитуд (16).

Амплитуду первой гармоники ток Il, протекающего в эквивалентной схеме генератора (рис. 1), можно определить по формуле

(18)

где I0 – постоянный ток через диод.

Мощность, отдаваемая электронами полю в резонаторе, определяется выражением:

(19)

Для расчета выходной мощности Pвых следует определить контурный КПД генератора ηк, который для схемы, приведенной на рис. 1, определяется по формуле

(20)

ЗАДАЧА 4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ПОЛУПРВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

Исходные данные

Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре (ДГС) имеет следующие параметры: ширину запрещенной зоны узкозонного полупроводника Еa2 = 1,4 эВ = 2,24∙10–19 Дж, внутреннюю квантовую эффективность ηвн = 0,8. Остальные параметры лазера приведены в табл. 5. Коэффициенты отражения зеркал Г1 и Г2 принять одинаковыми (равными Г) и пренебречь дифракционными потерями.

Требуется

1. Нарисовать структуру ДГС-лазера и рассмотреть процессы в узкозонной части кристалла, приводящие к формированию лазерного излучения.

2. Рассчитать силу порогового тока Iпор.

3. Рассчитать мощность генерации Рген и КПД при силе тока равной I = 5×Iпор (Iпор – сила порогового тока) и напряжении U = 1,6 B.

4. Оценить частоту и длину волны излучения лазера .

Методические указания

1. Изучить литературу [1, разд. 22.1, 22.4.]

2. Ознакомиться с принципом действия лазеров и обратить внимание на конструктивные особенности полупроводниковых ДГС-лазеров, а так же на процессы в узкозонной части кристалла лазера.

Принцип действия полупроводниковых лазеров аналогичен принципу действия лазеров других типов (усиление электромагнитной волны активной средой вследствие вынужденных переходов и процесс возникновения автоколебаний в оптическом резонаторе лазера при выполнении условий генерации). Особенности работы полупроводниковых лазеров объясняются следующими факторами:

1) роль вынужденных переходов в полупроводниковых лазерах играют процессы рекомбинации электронно-дырочных пар под действием квантов света и излучение квантов света, когерентных с вынуждающим электромагнитным полем. При этом происходит как усиление электромагнитного поля, так и процесс генерации электронно-дырочных пар под действием квантов света с поглощением их энергии;

Таблица 5

Номер варианта	β, см2/А	Jo, кА/см2	αа, см–1	L, мм	d, мкм	Г
1	5×10 –7	1,2	15	0,5	0,1	0,4
2	5×10 –7	1,0	14	0,4	0,1	0,4
3	5×10 –7	1,2	14	0,45	0,1	0,4
4	5×10 –7	1,2	15	0,6	0,1	0,4
5	5×10 –7	1,2	15	0,6	0,15	0,4
6	4×10 –7	0,9	13	0,6	0,12	0,4
7	4×10 –7	0,9	12	0,5	0,12	0,4
8	4×10 –7	0,9	13	0,5	0,12	0,4
9	4×10 –7	0,9	12	0,4	0,12	0,4
10	4×10 –7	0,8	10	0,5	0,12	0,4
11	4,5×10 –7	1,3	11	0,4	0,1	0,35
12	4,5×1 –70	1,3	12	0,4	0,11	0,35
13	4,5×10 –7	1,3	13	0,45	0,12	0,35
14	4,5×10 –7	1,2	14	0,5	0,12	0,35
15	4,5×10 –7	1,1	15	0,55	0,1	0,35
16	5×10 –7	1,0	14	0,5	0,15	0,38
17	5×10 –7	1,1	13	0,5	0,15	0,38
18	5×10 –7	1,1	13,5	0,5	0,15	0,38
19	5×10 –7	0.9	13,5	0,45	0,15	0,38
20	5×10 –7	0,9	14	0,45	0,15	0,38
21	4,7×10 –7	0,95	10	0,35	0,12	0,35
22	4,7×10 –7	0,95	11	0,35	0,12	0,35
23	4,7×10 –7	0,96	8	0,35	0,12	0,35
24	4,7×10 –7	0,96	9	0,35	0,12	0,37
25	4,7×10 –7	0,96	12	0,35	0,13	0,35
26	5,5×1 –70	0,9	10	0,25	0,1	0,4
27	5,5×10 –7	0,85	15	0,3	0,1	0,5
28	5,5×10 –7	0,9	13	0,25	0,12	0,45
29	5,5×10 –7	0,85	12	0,3	0,11	0,4
30	5,5×10 –7	0,9	10	0,3	0,11	0,4

2) для усиления электромагнитного поля необходимо, чтобы процесс вынужденной рекомбинации электронно-дырочных пар происходил бы более эффективно, чем процессы их вынужденной генерации с ослаблением поля;

3) эффективность процесса вынужденной рекомбинации электронно-дырочных пар достигается при введении в рабочую часть лазера свободных электронов и дырок за счет протекания электрического тока (инжекционные лазеры).

Структура кристалла, в котором реализуется этот принцип, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема лазера на ДГС: 1 – дырочный широкозонный полупроводник;

2 – электронный узкозонный полупроводник; 3 – электронный широкозонный полупроводник; 4 – зеркала оптического резонатора; d, L, b – линейные размеры активной зоны лазера (значения d, L различаются по вариантам и приведены в табл. 5; значение
толщины активной зоны лазера b принять равным 10 мкм)

На границах активной зоны образуются два гетероперехода, один из которых при прямом напряжении пропускает только электроны и не пропускает дырки, а второй, наоборот, пропускает дырки и задерживает электроны. Таким образом, при протекании прямого тока в активной зоне повышаются концентрации электронов и дырок, что при достаточной силе тока может обеспечить условия генерации. Значение силы тока Iпор, при которой обеспечиваются условия генерации, но излучение через зеркала отсутствует, называется пусковым или пороговым током.

Плотность порогового тока Jпор определяется двумя основными факторами. Во-первых, плотность порогового тока должна обеспечить равенство скоростей, вынужденных генерации и рекомбинации (режим насыщения). Соответствующие этому условию значения плотности тока J0 приведены в табл. 5.

Во-вторых, плотность порогового тока должна быть больше чем Jo на величину, обеспечивающую покрытие потерь в кристалле при прохождении электромагнитной волны через узкозонную область лазера и потерь в зеркалах.

Расчет пороговой плотности тока определяется соотношением

(21)

где β – константа, определяющая параметр усиления активной среды;
ηвн – квантовая эффективность активной среды, зависящая от скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинаций; αа – коэффициент потерь в материале активной среды.

Сила порогового тока Iпор = Jпор×S, где S = Lb – площадь поверхности кристалла, через которую протекает ток I.

Мощность генерации определяется превышением силы тока лазера над пороговой и является частью мощности излучения в активной зоне, проходящей через зеркала,

(22)

где h – постоянная Планка; v – частота генерации; е – заряд электрона.

КПД и частота генерации лазера могут быть оценены исходя из условия, что энергия кванта света при рекомбинации электрона и дырки приблизительно равна энергии ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника Еа2. В этом случае КПД можно оценить как отношение энергии кванта света к энергии, которая затрачивается на введение одного электрона в активную зону

(23)

Частота генерации оценивается по энергии кванта света

(24)

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Бобровский, Ю. Л. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: учеб. пособ. / , , и др.; под ред. . – М. : Радио и связь, 2002.

2. Корнилов, С. А. Полупроводниковые приборы на горячих электронах и их применение в технике связи: учеб. пособ. / , , ; ЛЭИС. – Л., 1988.

Дополнительная

3. Бобровский, Ю. Л. Современные ЭВП СВЧ с длительным взаимодействием, тенденции развития и применение в технике связи: учеб. пособ. / ; ЛЭИС. – Л., 1986.

4. Кукарин, С. В. Электронные СВЧ приборы. Характеристики, применение, тенденции развития / . – М. : Радио и связь, 1981.

5. Рябов, С. Г. Приборы квантовой электроники. Характеристики, применение, тенденции развития / , , . – М. : Сов. радио, 1976.

6. Карлов, Н. В. Лекции по квантовой электронике / . – М. : Наука, 1988.

7. Хансен, Г. Лазерная светодинамика / Г. Хансен. – М. : Наука, 1988.

8. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия / Под ред. . – М. : Сов. энциклопедия, 1969.

СОДЕРЖАНИЕ

Программа дисциплины.. 3

Содержание дисциплины.. 4

1. Электровакуумные приборы СВЧ.. 5

1.2. ЭВП СВЧ с электростатическим управлением.. 7

1.3. Клистроны.. 8

1.3.1. Двухрезонаторный пролетный клистрон. 8

1.3.2. Многорезонаторный пролетный клистрон. 10

1.3.3. Отражательный клистрон. 11

1.4. ЭВП с длительным взаимодействием.. 12

2. Полупроводниковые приборы СВЧ.. 15

2.1. СВЧ диоды и транзисторы.. 15

2.2. Лавинно-пролетный диод. 16

2.3. Диод Ганна. 18

3. Квантовые приборы СВЧ и оптического диапазонов. 19

3.1. Физические основы квантовой электроники. 19

3.2. Квантовые приборы СВЧ диапазона. 22

3.3. Лазеры (квантовые генераторы оптического диапазона) 24

4. Состояние и перспективы развития электроники СВЧ и квантовой электроники. 25

Контрольное задание. 26

Задача 1. Расчет усилителя на двухрезонаторном пролетном клистроне. 28

Задача 2. Расчет усилителя на лампе бегущей волны.. 31

Задача 3. Расчет генератора на лавинно-пролетном диоде. 34

Задача 4. Расчет параметров полупроводникового лазера 37

Литература. 41

Евгений Иванович Бочаров

Игорь Александрович Кравцов

Игорь Алексеевич Кратиров

приборы свч и оптического
диапазонов

Программа, контрольное задание
и методические указания

210405

Ответственный редактор

Редактор Е. Ю. Пономарева

Компьютерная верстка М. Ю. Кусовой

План изданий 2010 г., п. 42

Подписано к печати 28.12.2010

Объем 2,75 усл.-печ. л. Тираж 100 экз. Зак. 116

Издательство «Теледом» ГОУВПО СПбГУТ. СПб., наб. р. Мойки, 61

Отпечатано в ГОУВПО СПбГУТ

Факультет вечернего и заочного обучения

, ,

Приборы СВЧ и оптического
диапазонов

Программа, контрольное задание
и методические указания

210405

Санкт-Петербург

2010